Biofysica tussen oog en brein - U

Biofysica tussen oog en brein
De nlt-module Kijken en Zien
Hoe vaak komt het niet voor dat iemand wel kijkt, maar niet ziet? De ogen zijn gericht, maar het
gewenste beeld dringt niet door. Waar ligt dat aan? Zijn de ogen niet scherp gesteld op het voorwerp?
Geeft het netvlies geen impulsen af? Worden de impulsen niet goed naar de hersenen doorgegeven?
Biologie en natuurkunde dragen beide bij aan een antwoord.
n
Ton van der Valk en Krijn Kieviet / JCU, Universiteit Utrecht
De werking van het visuele systeem van
de mens is een actueel onderzoeksgebied op het snijpunt van twee vakken1.
De optica, de beweging van het oog en
kleuren zien, vereisen een natuurkundige aanpak. In de biologie komen de
fysiologie van het oog en de verbinding
met het brein aan de orde. Kijken en Zien2
brengt deze benaderingen bij elkaar en
geeft de leerlingen inzicht in de werking
van het oog en in het zien.
voorkennis op te rakelen. Elk hoofdstuk
heeft een hoofdvraag die aangeeft waar
het hoofdstuk naartoe leidt. Oriënterende activiteiten laten leerlingen alvast
nadenken over de stof die ze zich gaan
eigen maken.
Module Kijken en Zien
Hoofdvraag
Introductie
Wat gebeurt er met het licht dat in het oog valt en
hoe leidt dat tot waarnemen?
Oriëntatie op keuzeonderwerpen
Waar werk je in deze module naartoe?
1. Signaalverwerking
In welke stappen kan het proces dat tot
waarneming leidt worden opgedeeld?
2. Oogbewegingen
Hoe bewegen onze ogen?
3. Donkeradaptatie
Hoe past het visuele systeem zich aan
verschillende verlichtingsomstandigheden aan?
4. Kleuren zien
Wat is kleur en hoe kunnen we kleuren zien?
5. Receptieve velden
Hoe slaagt het visuele systeem erin het beeld dat
het ontvangt om te zetten in informatie waar het
brein iets mee kan?
Voorkennisbijlage 1. Het oog
Wat zijn de belangrijkste onderdelen van het
visuele systeem?
Voorkennisbijlage 2. Regelsystemen
Wat zijn de basiselementen van een regelsysteem?
De grote lijn van de module
Na de Introductie volgt het basisdeel (H1,
2 en 3) dat uitgebreid kan worden met
H4 en 5. Daarna werken de leerlingen
aan keuzeonderwerpen, waarop ze al
De module is voor 5-vwo ontwikkeld
door het Junior College Utrecht in
samenwerking met onderzoekers van
de vakgroepen Functionele Neurobiologie en Fysica van de mens van de
Universiteit Utrecht. De module bevat
leesteksten, opdrachten, (computer)
practica en verwerkingsvragen. Voor
leerlingen hebben die geen biologie of
natuurkunde in hun pakket hebben, is
de module voorzien van voorkennisbijlagen. Deze bijlagen zijn ook geschikt om
Zien begint met het licht dat het oog
binnenkomt en op het netvlies valt. Het
proces dat tot waarnemen (H1) leidt
wordt opgedeeld in de stappen: detectie
(in het netvlies), analyse (in het neurale
netwerk achter het netvlies), codering
(door impulsen die naar het brein
worden verzonden) en waarneming
(in het brein).
Voordat het licht in het oog valt, is een
aantal ‘voorbereidingen’ nodig, zoals
Het leukste is als de biologie- en natuurkundedocent in elkaars
lessen aanwezig zijn. Dat brengt eenheid in de module
bij de start van de module georiënteerd
worden. Voorbeelden van keuzeonderwerpen zijn Vogels en kleuren zien,
Donkeradaptatie en Kleuren zien. H1, 2
en 4 van de module hebben een meer
natuurkundige inslag, H3 en 5 zijn
meer biologisch getint. In het keuzedeel
werken de leerlingen in groepjes aan een
keuzeopdracht.
Waarneming
en interpretatie:
kleuren, vlakken
en lijnen: wat stelt
het voor?
februari 2011
NVOX
63
64
het richten van het oog (H2). De ogen
maken gladde volgbewegingen die
worden afgewisseld met saccades (snelle, sprongachtige oogbewegingen). Het
oog kan snel bewegen en vrij plotseling stoppen omdat de oogspieren de
eigenschappen van een (gedempte)
veer hebben.
We kunnen zien bij uiteenlopende verlichtingsomstandigheden (H3): bij sterrenlicht en bij zonlicht. Het verschil in
het aantal fotonen dat op het netvlies
valt beslaat dan een factor 1019. Toch
worden onze ogen niet overbelast en
halen we het beste uit elke belichtingsomstandigheid. We regelen de hoeveelheid licht door de grootte van de iris
aan te passen. Maar dat is niet genoeg
om de vereiste licht/donkeradaptatie
te bereiken. Er is een tweede mechanisme: pigmentbleking en regeneratie. In
de module verduidelijkt een wiskundig
model hoe dat werkt.
Het zichtbare licht bestaat uit de ‘zuivere’ spectrale kleuren van de regenboog. Maar de mens kan ook mengkleuren zien (H4). Dat is te danken aan
drie typen kegeltjes, elk met verschillende pigmenten. De manier waarop de
signalen verwerkt worden, maakt dat
de waargenomen kleur niet alleen van
de opgevangen golflengten, maar ook
van de omgeving afhangt.
De receptoren in het netvlies (de
staafjes en kegeltjes) zijn niet één op
Een Hermann-grid geeft een optische illusie op de
hoekpunten.
De opzet van de lessen
In de Introductie wordt de grote lijn door
de module en centrale vraag geïntroduceerd. Dan al kunnen de leerlingen
een keuzeonderwerp kiezen. Dat geeft
hen een gerichter doel bij het zich eigen
maken van de leerstof. In elke les kan
iets zitten wat voor hun keuzeonderwerp
van specifiek belang is.
De hoofdstukken van het basisdeel
vergen presentatie van leerstof door de
docent, afgewisseld met opdrachten die
door de leerlingen gemaakt worden. Er
is in de module een ruim aanbod van
computerpractica. Leerlingen kunnen
videometingen doen aan oogbewegingen
en testjes met receptieve velden. Ze kunnen het model voor donkeradaptatie in
COACH modelleren. De module kan uitgebreid worden met een snijpracticum
van het oog, als zo’n practicum nog niet
bij biologie is gedaan. Voor natuurkunde
kan de module worden aangevuld met
een practicum met lenzen of over het
taties bestaan uit informatieve dia’s,
afgewisseld met dia’s met verwerkingsvragen. De leerlingen bekijken in tweetallen enkele presentaties (bijvoorbeeld
drie) van klasgenoten op de computer.
De duo’s beantwoorden de vragen en
zien meteen op hun pc of ze het goede
of foute antwoord kiezen. Aan het eind
beoordelen de duo’s de presentaties op
criteria als moeilijkheidsgraad, vorm en
het type vragen dat de presentatiegroep
gesteld heeft (kennis, begrip, toepassing).
Beide vierkanten bevatten
precies dezelfde
kleurblokjes.
Kleurwaarneming is context­
afhankelijk.
Bron: Vakgroep
Fysica van de
Mens, Universiteit Utrecht.
één, maar in combinaties geschakeld
met de visuele cortex van de hersenen.
Daardoor kent het netvlies receptieve
velden (H5). Dat lijkt een nadeel, een
verlies in resolutie, maar het heeft een
belangrijk voordeel. Het stelt ons in
staat randen en bewegingen te herkennen. Maar het leidt ook tot optische
illusies.
NVOX
februari 2011
systeembord, nodig voor het begrijpen
van de verwerking van signalen in het
brein.
Voor de groepjes inhoudelijk aan de slag
gaan met de keuzeonderwerpen, maken
de leerlingen een werkplan. Daarmee
krijgt de docent zicht op hun plannen en
kan hij in een vroeg stadium bijsturen.
Als afsluiting maakt elke leerlinggroep
een interactieve PowerPointpresentatie
over de keuzeonderwerpen. De presen-
Vier interactieve dia’s uit een leerlingpresentatie
over het keuzeonderwerp facet-ogen.
Een veelzijdig bruikbare module
Kijken en Zien is in 2009 gecertificeerd
voor het nlt-domein E. Samenwerking
tussen de biologie- en natuurkundesec-
over het oog.
Er is docentmateriaal beschikbaar dat bij
het JCU kan worden aangevraagd3: een
docentenhandleiding, toetsen, practi-
De docent liet ons bij elkaar in de ogen kijken, zodat je de saccades
kon zien die hij net had uitgelegd
ties is een vereiste. Het leukste is als de
natuurkunde- en biologiedocenten in
elkaars lessen aanwezig zijn. Dat brengt
eenheid in de module.
De module is ook bruikbaar als er op
school geen nlt wordt gegeven. De
hoofdstukken lenen zich uitstekend
voor gebruik in de vakken natuurkunde
en/of biologie. Ook kunnen het moduleboek, de practica en keuzeonderwerpen
gebruikt worden bij profielwerkstukken
Enkele leerlingen over
Kijken en Zien
Ik vond het leuk dat de docent ons elkaar
in de ogen liet kijken, zodat je dan goed
kon zien wat hij net had uitgelegd (bijv.
saccades).
Hij gaf een leuk voorbeeld van de snelheid van een oog met de (natuurkundige)
formule voor een sinusbeweging, ik wist
niet dat dat kon.
De stof staat in het boek goed uitgelegd en
dus is het erg handig om het later nog eens
goed door te lezen als je iets vergeten bent.
Ik denk dat het boek heel erg bruikbaar is.
Enkele docenten over
Kijken en Zien
De module is uitdagend, actueel, activerend, vakoverstijgend en afwisselend en
past goed in nlt. Er is wel overlap met de
natuurkunde- en biologiecurricula, maar dit
is juist een sterk punt. De module is aan de
moeilijke kant, maar sluit goed aan bij de
voorkennis van de leerlingen.
Wat goed werkte was om de keuzeopdrachten te laten maken met behulp van een
wiki. Ook heb ik een wiki gemaakt van een
lijst van moeilijke woorden. Dit vonden de
leerlingen leuk en het was ook iets nieuws
op het gebied van ICT dat ze leerden.
cuminstructies en voorbeelden van de
interactieve presentaties die leerlingen
als eindopdracht hebben gemaakt.
Noten
1. Beeftink, C. Met het oog op integratie. Dissertatie Universiteit Utrecht. Utrecht: CDbèta
Press, 2000.
2. De module is downloadbaar via
www.betavak-nlt.nl > gecertificeerde modules
3. Het docentmateriaal bij de module kan aangevraagd worden bij [email protected] onder
vermelding van naam van de docent, gegeven
vak en school.
2 Ton van der Valk
is curriculumcoördinator
van het Junior College
Utrecht (JCU, www.uu.nl/
jcu) en onderzoeker bij het
FIsme (www.fisme.uu.nl).
Hij heeft de ontwikkeling van Kijken en Zien
begeleid.
2 Krijn Kieviet
is als ontwikkelaar van
lesmateriaal verbonden
aan het Junior College Utrecht en heeft als
modulecoördinator een
belangrijke rol gespeeld
bij de ontwikkeling van Kijken en Zien. Sinds
augustus 2010 ligt zijn hoofdtaak bij het Bèta­
Steunpunt Utrecht.
Kleintje wetenschap
Antibiotica-apotheek
van bacterie inspiratiebron voor antimicro­
biologische
medicijnontwikkeling
De menselijke ziekteverwekker
Streptococcus pneumoniae is in staat
om antimicrobiologische substanties (AMPs) te produceren, die
bacteriocines genoemd worden.
Promovenda Joanna Majchrzykiewicz heeft het inzicht vergroot in
de weerstandsmechanismen van
dit belangrijke menselijke pathogeen. Haar bevindingen creëren
uitdagende mogelijkheden om
in vivo nieuwe bacteriocines te
ontwikkelen en te produceren,
die kunnen worden ingezet om
infectieziekten te behandelen.
Bacteriocines zijn kleine proteïnen
die de groei van micro-organismen
kunnen verhinderen of microorganismen kunnen elimineren in
de omgeving van het producerende organisme. Een grote verscheidenheid van bekende bacteriocines
is reeds bestudeerd, maar weinig is
bekend over bacteriocines van S.
pneumoniae. Majchrzykiewicz beschrijft in haar proefschrift negen
verschillende bacteriocine-soortige
clusters in S. pneumoniae. Een
belangrijke ontdekking van haar
is dat één van de clusters alleen
bacteriocines kan produceren met
behulp van een productiemachine
van een andere, niet gerelateerde,
bacteriocine. Ook suggereert zij
dat de functie van andere potentiële bacteriocine-soortige clusters
afhankelijk is van het stikstofmetabolisme van deze bacterie. Verder
identificeerde zij twee nieuwe
clusters waar dezelfde functieeigenschappen aan toe werden
gekend en toonde aan dat deze drie
clusters waarschijnlijk een nieuw
regulon vormen in S. pneumoniae.
n Bron: RUG
februari 2011
NVOX
65